第3章遺傳物質(zhì)的分子基礎(chǔ)

第三節(jié)

特殊的信息轉(zhuǎn)移和中心法則

按照一般的信息轉(zhuǎn)移過程，遺傳信息是由DNA→RNA→蛋白質(zhì)；但有些病毒攜帶的遺傳物質(zhì)是ＲＮＡ而不是ＤＮＡ，它們的遺傳信息轉(zhuǎn)移過程是通過ＲＮＡ復(fù)制（ＲＮＡ→ＲＮＡ）或反轉(zhuǎn)錄（ＲＮＡ→ＤＮＡ→ＲＮＡ）過程實(shí)現(xiàn)的。目前一頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)一、ＲＮＡ復(fù)制

１．Ｑβ噬菌體的基因組結(jié)構(gòu)：Ｑβ噬菌體帶有（＋）鏈ＲＮＡ，ＲＮＡ分子量約1.5X106D（4500Nt），有四個基因：５’－成熟蛋白-外殼蛋白（和Ａ蛋白）-復(fù)制酶β亞基－３’。２．Ｑβ噬菌體的復(fù)制酶：Ｑβ噬菌體的ＲＮＡ復(fù)制酶有四個亞基，除自身攜帶的β亞基外，另外三個亞基分別來自宿主細(xì)胞的S1蛋白，EF-Tu和EF-Ts因子。目前二頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)

復(fù)制酶有兩個特點(diǎn)，一是特異性很高，只識別病毒自身的ＲＮＡ分子，而對于其它ＲＮＡ分子包括其它ＲＮＡ病毒的ＲＮＡ分子都不能起作用，二是比較傾向于與（-）鏈結(jié)合以制造更多的（+）鏈。３．復(fù)制過程（１）帶有（＋）鏈的ＲＮＡ病毒：這類病毒如Ｑβ，脊髓灰質(zhì)炎病毒等，侵染后，以自身攜帶的ＲＮＡ鏈上的β亞基的基因馬上翻譯出β亞基，β亞基隨即組裝成復(fù)制酶，催化（－）鏈的合成，又以（—）鏈為模板合成（＋）鏈，以親代（＋）鏈和子代（＋）鏈為模板又翻譯出結(jié)構(gòu)蛋白。最后子代（＋）鏈和結(jié)構(gòu)蛋白組裝成成熟噬菌體。

目前三頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)

（２）帶（－）鏈ＲＮＡ的病毒：這類病毒如狂犬病毒、口腔胞疹病毒等，侵染細(xì)胞后，必須先將（－）鏈復(fù)制成（＋）鏈才能翻譯出復(fù)制酶，所以在每個成熟的病毒顆粒中都帶有復(fù)制酶，復(fù)制酶與ＲＮＡ一道侵染細(xì)胞，發(fā)動（－）鏈到（＋）鏈的合成。（３）雙鏈ＲＮＡ病毒：例如呼腸孤病毒，這類病毒侵染細(xì)胞后先由（＋）鏈翻譯出復(fù)制酶，并以（－）鏈為模板催化合成（＋）鏈，以（＋）鏈翻譯出結(jié)構(gòu)蛋白及更多的（－）鏈，最后（＋）鏈和（－）鏈結(jié)合成雙鏈子代ＲＮＡ再與結(jié)構(gòu)蛋白結(jié)合成成熟病毒顆粒。

目前四頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)二、反轉(zhuǎn)錄與反轉(zhuǎn)錄病毒

反轉(zhuǎn)錄病毒是通過RNA反轉(zhuǎn)錄成DNA再轉(zhuǎn)錄成RNA的過程繁殖后代的。

１、反轉(zhuǎn)錄酶(reversetranscriptase)

是一種由病毒基因組編碼的,可以以RNA為模板,將RNA上的遺傳信息反轉(zhuǎn)錄到DNA上的DNA聚合酶,這種酶有三個活性：（１）以RNA為模板合成單鏈DNA;（２）具有核酸外切酶Ｈ的活性,可水解去除DNA-RNA雜種分子上的RNA鏈；（３）可以單鏈DNA為模板合成雙鏈DNA。目前五頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)目前六頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)目前七頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)２、反轉(zhuǎn)錄病毒

一類單鏈線狀ＲＮＡ病毒，一個病毒顆粒含有兩個相同的ＲＮＡ分子（二聚體），帶有三個必須的基因：gag（groupspecificantigen核心抗原基因，即外殼蛋白基因）；pol（RNA-dependentDNApolymerase依賴于ＲＮＡ的ＤＮＡ聚合酶,即反轉(zhuǎn)錄酶的基因）；env（envelop)外膜糖蛋白基因）。

目前八頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)目前九頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)

反轉(zhuǎn)錄病毒感染宿主細(xì)胞后,其RNA在反轉(zhuǎn)錄酶的作用下,反轉(zhuǎn)錄成DNA而后反插入到宿主細(xì)胞基因組中。在反轉(zhuǎn)錄過程中,最大的變化就是在DNA的末端形成二個長末端重復(fù)序列（longterminalrepeats,LTR）。這類似于轉(zhuǎn)座子的末端重復(fù)序列,暗示著反轉(zhuǎn)錄病毒可能有類似于轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座作用。在插入宿主染色體的時候,可導(dǎo)致宿主染色體的幾個bp的順向重復(fù)。由于反轉(zhuǎn)錄病毒可能具有轉(zhuǎn)座功能,因此有人將這類病毒稱為反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子（retrotransposon).目前十頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)三、DNA翻譯：

指利用DNA直接作為信使,在核糖體上翻譯蛋白質(zhì)的現(xiàn)象。目前在自然界中尚未發(fā)現(xiàn),但在實(shí)驗(yàn)室中利用某些抗生素打亂核糖體對模板的選擇,能夠使DNA直接代替mRNA而合成多肽。目前十一頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)四、對中心法則的挑戰(zhàn)

DNARNAProtein1、朊病毒（Prion）：這是一種引起人類Kuru病、CJD病、GSS病；動物的瘋牛?。╩adcowdisease)、羊瘙癢病等疾病的蛋白質(zhì)因子。？？目前十二頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)朊病毒的遺傳信息傳遞問題:

現(xiàn)在已經(jīng)知道完整朊病毒的分子量33~35KD，稱PrPsc33~35，該蛋白質(zhì)水解N-末端67個氨基酸后成為有傳染性的病毒顆粒，稱PrPsc27~30。正常細(xì)胞內(nèi)有33~35KD的與PrPsc33~35一級結(jié)構(gòu)完全相同而二級結(jié)構(gòu)有明顯差別的蛋白質(zhì)，但沒有致病性，稱PrPc。PrPc一旦與PrPsc結(jié)合將轉(zhuǎn)變?yōu)镻rPsc

。這就是朊病毒的繁殖方式。由此可知PrP（PrionProtein）是由細(xì)胞內(nèi)的基因編碼的，PrPc與PrPsc是一種同分異構(gòu)體。問題：在PrPc轉(zhuǎn)變?yōu)镻rPsc的過程中，PrPsc必須將遺傳信息傳遞給PrPc，即將自己的立體結(jié)構(gòu)的信息傳遞給PrPc

。蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間遺傳信息靠什么傳遞？目前十三頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)2、以蛋白質(zhì)為模板的肽鏈合成：許多多肽抗生素的合成并不是為DNA所編碼，沒有mRNA，也不在核糖體上合成。Lipmann發(fā)現(xiàn)這些多肽是直接由某些多酶體系合成的，如短桿菌肽。3、蛋白質(zhì)翻譯后的加工：有些蛋白質(zhì)剛合成后是沒有活性的，必須經(jīng)過一定的加工才能成為有活性的蛋白質(zhì)，這些加工過程包括糖基化、脂化以及肽鏈的剪切等過程，這些過程的遺傳信息又是如何來的？目前十四頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)3.7基因的現(xiàn)代概念

一、基因和DNA基因是DNA分子的一個區(qū)段？基因與多肽之間有共線性（colinearity）真核基因組中編碼蛋白質(zhì)的序列大概只占0.5%-5%。基因與基因之間有大量的非編碼序列，即有intergenicregion，這種現(xiàn)象稱DNA冗余。目前十五頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)

DNA的重復(fù)序列(repetitivesequence)

基因組DNA根據(jù)拷貝數(shù)的多寡,可分為：單拷貝序列：非重復(fù)序列,約占基因組的40~70%。

少量(輕度)重復(fù)序列：10拷貝以下,約占10%,如珠蛋白基因、酵母tRNA基因。中度重復(fù)序列：在10~105拷貝,約占基因組的10%~40%?？煞譃轫樝蛑貜?fù)序列（directedsequenceDR)和反向重復(fù)序列（invertedsequenceIR)。如Alufamily高度重復(fù)序列：在105~106拷貝,約占基因組的10%~20%,主要是所謂的衛(wèi)星DNA。目前十六頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)二、生化突變型與一基因一酶說1、1941年，首先由Beadle和Tatum提出該假說。

2、“一基因一酶假說”的主要內(nèi)容對結(jié)構(gòu)基因而言，一種基因僅能表達(dá)一種多肽。

3、“一基因一酶假說”的證據(jù)前體鳥氨酸瓜氨酸精氨酸arg1arg2arg3酶1酶2酶3精氨酸的代謝途徑目前十七頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)三、先天性代謝缺陷p151-155

以苯丙氨酸代謝為例：苯丙氨酸—酪氨酸—雙羥苯丙氨酸—黑色素或者苯丙氨酸—對羥苯丙氨酸—尿黑酸—乙酰醋酸—水+CO2黑尿?。喝狈δ蚝谒嵫趸?，不能把尿黑酸氧化為乙酰醋酸白化病：缺乏酪氨酸酶，不能形成黑色素苯酮尿癥：缺乏苯丙氨酸羥化酶，不能將苯丙氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)槔野彼幔率梗罕奖彼嵩谘褐蟹e累、損害神經(jīng)、影響智力轉(zhuǎn)變?yōu)楸奖犭S尿液排出、所以叫做苯酮尿癥抑制酪氨酸變?yōu)楹谏?、黑色素減少、膚發(fā)色淺目前十八頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)先天性代謝缺陷與分子病的區(qū)別先天性代謝缺陷，也叫先天性代謝?。╥nbornerrorsofmetabolism）：由于特異酶的缺陷而產(chǎn)生了代謝障礙，這種障礙可以引起病理性后果。分子?。╩oleculardisease）：由于大分子結(jié)構(gòu)異常而造成的疾病，如血紅蛋白、結(jié)構(gòu)蛋白等異常導(dǎo)致的疾病目前十九頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)四、基因的精細(xì)結(jié)構(gòu)1、順式(cis)與反式(trans)對于含4個16區(qū)A段的染色體來說,有45個小眼的+/BB,兩個B在同一染色體上,為順式；有68個小眼的B/B,兩個B位于不同染色體上,稱為反式。目前二十頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)3、互補(bǔ)試驗(yàn)（互補(bǔ)測驗(yàn)）Benzer利用T4噬菌體rII品系進(jìn)行雜交，測定每對突變位點(diǎn)間重組頻率的方法：p160-161重組率=(2×重組子數(shù))/總噬菌體數(shù)×100%互補(bǔ)(complementation):

當(dāng)兩個突變型同時感染E.coliK時,互相彌補(bǔ)對方的缺陷,共同在菌體內(nèi)增殖,引起溶菌,釋放原來的兩個突變型?；パa(bǔ)測驗(yàn)：用于測定不同突變之間的功能關(guān)系（是等位的、還是非等位的）。方法是使兩個突變處于反式結(jié)構(gòu)，觀察兩個突變之間是否可以互補(bǔ)，可以互補(bǔ)說明兩個突變處于不同的功能單位，反之，說明兩個突變處于相同的功能單位（屬于同一個順反子）。目前二十一頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)目前二十二頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)互補(bǔ)測驗(yàn)中，兩個突變位點(diǎn)是處于順式結(jié)構(gòu)還是處于反式結(jié)構(gòu)，結(jié)果會有什么不同呢？目前二十三頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)

Benzer將順式結(jié)構(gòu)與反式結(jié)構(gòu)的遺傳學(xué)效應(yīng)不同的現(xiàn)象稱為順反位置效應(yīng)。將具有順反位置效應(yīng)的功能單位稱為順反子（cistron)。凡是相互之間存在順反位置效應(yīng)的兩個突變位點(diǎn)都屬于一個順反子。凡是相互之間測不出重組值的兩個突變位點(diǎn)都屬于同一個位點(diǎn)。一個順反子是一個作用單位,占據(jù)一個座位(locus,loci),是一個基因。目前二十四頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)4、基因結(jié)構(gòu)研究的一系列成果：1）操縱子（Operon）2）重疊基因(Overlappinggene)

ΦX174：1977年Sanger等人對ΦX174噬菌體的核苷酸順序進(jìn)行分析時，發(fā)現(xiàn)了基因的重疊現(xiàn)象，同時還發(fā)現(xiàn)遺傳密碼也有重疊現(xiàn)象。所謂重疊基因，是指相鄰的兩個基因共用一段核苷酸順序的現(xiàn)象。目前二十五頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)目前二十六頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)3）斷裂基因(splitgene)——(intron&extron)

發(fā)現(xiàn)：1977年法國科學(xué)家Chambon在研究雌激素與蛋白質(zhì)合成的關(guān)系時以外發(fā)現(xiàn),并獲1993年諾貝爾獎。他從雞的輸卵管和血球中分離核DNA,分別用EcoRI和HindIII酶解、電泳，然后與卵清蛋白cDNA探針進(jìn)行Southernbolt分子雜交,發(fā)現(xiàn)卵清蛋白基因在cDNA和核DNA的結(jié)構(gòu)有些不同。目前二十七頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)目前二十八頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)斷裂基因與重疊基因一隔裂基因：1概念：隔裂基因：外顯子內(nèi)含子外顯子內(nèi)含子外顯子內(nèi)含子外顯子成熟mRNA帽5′AAAA…拖尾序列剪接加工

前體mRNA(hnmRNA)轉(zhuǎn)錄

2Chambon規(guī)則（GT—AG規(guī)則）內(nèi)含子：5`端G90T90————A85G853`

可能是剪接酶的識別信號。目前二十九頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)3斷裂基因的意義

（1）有利于儲存較多的遺傳信息量；（2）有利于變異與進(jìn)化；（3）增加重組機(jī)率；（4）內(nèi)含子可能是調(diào)控裝置。通讀基因：指從起始密碼ATG開始到終止密碼為止,所核苷酸都為氨基酸編碼基因。目前三十頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)二重疊基因（一）重疊基因的概念

重疊基因：是指兩個或兩個以上的基因共有一段DNA序列。（二）重疊基因的發(fā)現(xiàn)：1978年，Sanger

X174DNA全長：5386核苷酸編碼的9種蛋白全長：2000個氨基酸；

3X2000=6000核苷酸目前三十一頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)（三）基因重疊的方式1大基因內(nèi)包含小基因：如：B基因包含在A基因內(nèi)，E基因完全包含水量在D基因內(nèi)。2前后兩基因首尾重疊：例1：如：基因D終止

X174DNA序列：5`—T—A—A—T—G—3`重疊一個堿基基因J起始例2：如：基因A終止

X174DNA序列5`——A—T—G—A—3`重疊4個堿基基因C起始目前三十二頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)

3三個基因之間重疊基因Bphe終止基因AserAspGluG4DNA序列-T-T-C-T-G-A-T-G-A-A-A-基因K起始Val4反向重疊5重疊操縱子（三）基因重疊的意義及危害目前三十三頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)目前三十四頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)4）多基因家族（multigenefamily）,也稱基因家族（genefamily）：指來源相同、結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的一組基因。家族成員可以排列在一起構(gòu)成所謂的基因簇（genecluster),也可以分散排列基因家族可分為四種類型：

簡單的多基因家族復(fù)雜的多基因家族不同場合表達(dá)的復(fù)雜的多基因家族散在分布的多基因家族，如癌基因。目前三十五頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)5）基因復(fù)合體（genecomplex），也稱超基因（supergene）：是指緊密連鎖在一起的共同決定某一性狀的一組基因。亦有人認(rèn)為超基因就是一個大的基因簇，其成員可達(dá)幾百個。

人類的主要基因復(fù)合體有：

免疫球蛋白基因復(fù)合體主要組織相容性復(fù)合體（majorhistocompatibilitycomplex,MHC）次要組織相容性復(fù)合體（minorhistocompatibilitycomplex）目前三十六頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)6）假基因（pseudogene）：

在多基因家族中某些成員和編碼某一蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因在結(jié)構(gòu)上相似，但并不產(chǎn)生有功能的基因產(chǎn)物，這些基因稱為假基因。兩種類型的假基因：

由正常基因的突變、缺失、重復(fù)等原因?qū)е禄虿荒苷１磉_(dá)。缺少正常基因的部分元件、內(nèi)含子等，更象正?；蚪?jīng)反轉(zhuǎn)錄后產(chǎn)生的，有人稱其為加工基因（processedgene）、反轉(zhuǎn)錄基因（retrogene）及反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子（retrotrsansposon）。目前三十七頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)7）轉(zhuǎn)座因子目前三十八頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)8）癌基因(oncogene)與抑癌基因（tumorsuppressorgene)

癌基因最早是在病毒中發(fā)現(xiàn)的(Rous,1966年諾貝爾獎）。根據(jù)來源可將癌基因分為兩類：

病毒癌基因：有些反轉(zhuǎn)錄病毒帶有癌基因,稱為病毒癌基因（v-onc）,它是指病毒帶有的可使靶細(xì)胞發(fā)生惡性轉(zhuǎn)化的基因。目前發(fā)現(xiàn)的病毒癌基因大都存在于反轉(zhuǎn)錄病毒,只有少數(shù)存在于DNA病毒中。

細(xì)胞癌基因（c-onc)：也稱為細(xì)胞轉(zhuǎn)化基因（celltransformationgene),這類基因存在于細(xì)胞中可使正常細(xì)胞轉(zhuǎn)化為惡性細(xì)胞。細(xì)胞中相應(yīng)的不具有轉(zhuǎn)化活性的基因稱為原癌基因（proto-oncogene)。目前三十九頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)原癌基因的活化(四種方式)

A.獲得啟動子或增強(qiáng)子：如反轉(zhuǎn)錄病毒插入到原癌基因的邊上,原癌基因受到LTR上的啟動子的影響而活化。

B.基因擴(kuò)增（amplification)：用癌基因?yàn)樘结樳M(jìn)行分子雜交,發(fā)現(xiàn)癌變細(xì)胞可雜交信號大大加強(qiáng),提示癌基因的拷貝數(shù)增多,擴(kuò)增數(shù)可達(dá)數(shù)十到數(shù)百倍。癌基因擴(kuò)增有兩種方式：產(chǎn)生大量的雙微體（doubleminutechromosome,DM）或大段同源染色區(qū)（homogeneouslystainingregion,HSR）。目前四十頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)

C.染色體重排引起原癌基因的活化

目前四十一頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)D.基因突變引起原癌基因的活化目前四十二頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)抑癌基因（tumorsuppressorgene)：指當(dāng)基因存在或表達(dá)時能夠抑制腫瘤產(chǎn)生的一類基因。如p53等

目前四十三頁\總數(shù)四十八頁\編于四點(diǎn)9）tRNA基因

原核生物tRNA

的分布有二種情況：

(1)以基因簇形式組成多順反子轉(zhuǎn)錄單位：在E.coli中以基因簇形式組成的多順反子已測定了約60個，例如1981年鑒定的一個操縱子含７個tRNA基因：Met-Leu-Gln-Gln-Met-Glu-Glu，它